叶章梅
摘 要：将电子控制技术应用于新型发电机的制造，其主要性能是采用永磁发电机做为基础电源，经电子整流、滤波、逆变器逆变、变频器变频、形成供电平稳、频率稳定、带负载能力强的标准无污染工频交流电源，同时增加智能化远动控制，以适应远程集中控制的目的。
关键词：变频；发电机；技术；永磁发电机
中图分类号：TM313 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）29-0021-02
1 变频发电机创新技术的研究开发背景
随着电子的高速发展，新材料、新工艺、新技术的不断完善，使该行业更好地向各行业、各领域拓展渗透，本项目就是采用新型的电子控制技术用于开发研究目前先进的、科技含量较高的，具有小型轻便化，能节约大量生产原材料，节约能源降低消耗的、新型变频发电机。该发电机是以永磁发电机作为基础能源，将永磁发电机发出的中频、中压交流电源，经电子电路的整流，变频、逆变形成标准的、无污染的工频正弦交流电源，使供电系统的性能指标好，电压稳定、频率稳定、波形失真小，容易实现多台并机运行。其控制电路采用专用芯片控制，易于实现整机的智能化控制，有利于小型化设计、软件版本、功能扩展等升级设计。这种较为全面的方案设计，还需确保整机有较好的产品性价比，有较低的生产成本，既保证适宜的产品价格，还能节约大量的铜、铝、硅钢片等有色金属材料的消耗，有着良好市场潜力，不适为一种新型的能源产品。其主要技术要求如下：
变频发电机创新技术的研发方案，就是采用与目前普通发电机根本不同的磁电转换方式，省去了普通发电机的励磁绕组部分，因此也防止了普通发电机励磁部分常常发生的短路、断路、接触不良、绝缘击穿等方面问题，不但节约了大量的漆包铜线和硅钢片等，而且大大减轻了整机重量和制造工艺难度，消除了发电过程其励磁部分所消耗的激励能源，减少了能源消耗，减少了排放噪声和污染。取而代之的用小型轻便化、可靠性高的永磁发电机作为电源，用电子技术将永磁发电机发出的中频、中压交流电流，进行整流、滤波、逆变器逆变与变频器变频形成的标准正弦电流进行控制合成，形成稳定、可靠、无污染、标准的、输出能力强的工频正弦交流电源，以达到适应各种设备、各种负载的使用要求。
经上述方案研发的新型变频发电机，在增加了许多控制和远动智能化技术后，其总成本比同类的普通机型略高10%，但就其很好的过载能力（比普通机型高30%的过载能力），和所运行中节约的燃料消耗，从使用成本上将大大低于目前普通发电机的使用成本。按目前普通机型5kW以下机组，年贸易量以国内制造水平500万台计算，按年替代率5%的水平更新，其年改造量在30万台水平，按单台价格1000元估算，可实现3亿元的产值，如加上油机和机组价值，其交易水平在10个亿上下，这算是不少的数字。为了更好地推进目标的实现，公司已组成了专项的研发小组，其人员除专业的电子控制技术人才，还包括了机电、材料、工艺方面的技术人才，以及与相关实验、检测的专业机构人员配合，经过了近三年的研发努力，已基本形成了产品样机和前期的试验检测。从产品的产业链上，上游还能节约大量的铜、硅钢片及铝材等，经目前样机的比较，电机制造消耗（按同类机对比），铜材可节约75%以上，硅钢片可节约70%左右，还能减少60%以上的制造费用。从下游的机组使用上，能节省10%-15%的燃油消耗，其经济效益和节约上述材料、燃油所带来的社会效益，更是不可小视的数字。
2 变频发电机创新技术的研究开发主要技术及创新点
关键技术是如何将永磁发电机发出的非工频的高电压，转换成可自行控制，适应负载使用要求，节能、降耗、轻便、可靠的新型供电电源，其主要技术：
（1）解决能适应交变调制，带载能力平稳，转换效率高的永磁发电机。
（2）采用新型的电子应用技术，对永磁发电机发出的中频、中压电源进行整流、变频、逆变形成适应负载能力的高适应性能源。
其创新点：
（1）从永磁发电机的选用和制造角度，采用具有剩磁感应强度和矫顽力大，最大磁能积高，在规定的温度下退磁曲线接近直线，能保证电机气隙中有足够大的气隙磁场和标准规定的性能指标。由于永磁发电机取消了励磁绕组，不存在普通发电机的励磁短路、断路、绝缘损坏等一系列可能故障，也没有励磁绕组的损耗和杂散损失，因此永磁发电机的节能比普通同功率发电机小40%以上。
（2）采用电子应用技术，对永磁发电机发出的中频、中压电源，进行交——直——交的转换，从整流、逆变和变频，转换为电压、频率稳定的、标准无污染的工频电源。为达到这一要求，需要对逆变控制信号的SPWM脉宽调制波为20KHz的信号调制进行防干扰处理，以防止系统发生崩溃，同时又应消除其信号对其他电路的影响，防止对其他回路信号产生次干扰，引起误判断，误控制和误动作。
（3）系统采用集中控制电路，实现对逆变、脉冲发送、显示功能、逆变保护和远程通讯控制的功能，使输出电压稳态精度高，动态响应速度快，而且波形畸变率低，可以对系统的各个运行状态，即过电流、过电压、短路、过载等故障实行自诊断，实现对逆变过程的自保护、自恢复，从而达到保护设备、提高寿命的目的。
3 社会经济效益
变频发电机与普通发电机对比，省去了普通发电机的励磁绕组，这样既没有普通发电机存在的励磁短路、断路、绝缘损坏等故障发生，而且结构简单，紧凑，可靠性高。就电机部分而言，主要材料漆包铜线和硅钢片的用量仅分别占同类普通型发电机的25%和30%，其制造的材料成本只占原同类普通发电机的30%，而且永磁发电机的制造工艺简单，制造工时也只有原发电机的20%。按总成本平均永磁发电机的生产总投入只有原来同类普通发电机的25%。虽然发电机增加逆变器部分，但因本项目产品的发电效率高，在输出相同功率时的油耗降低了5%-8%，加上减少激励励磁所消耗的油耗，总体可节约燃料10%-15%，而且过载能力可达20%以上，这在许多配套场合，可替代高一个档次的机组使用。
从经济角度，目前项目测算的价值是以变频部分的价值状况进行计算的，不包括机组的总体价值，其总量只占总体的四分之一。从市场角度，其产业规模按小型发电机组的应用市场情况分析，替代的比例按总销量的20%估算，年销量可达数十万台以上的空间（以5kW以下而言），再者从节能降耗的角度，由于国际市场的油价逐年上升，节能降耗的产品将进一步受到用户欢迎，虽然目前的产品市场主要在欧美等发达国家，但随着经济的发展和市场的进步，其领域将进一步延伸。
社会效益，从节约燃油所产生的对空间的排放噪声和排放污染，就是一笔相当可观的社会效益。再加上节约有色金属材料所带来的资源消耗，开采消耗，资源生产过程的燃料，环境的污染和损耗等等，均为不可小视的社会效益。
4 变频发电机创新技术的研究开发完成情况
4.1 项目产品特性
项目的完成情况已实现合同提出的要求。产品的主要使用对象为军工行业的通讯车载系统等设备，产品性能完全达到用户要求。从用户的评价角度，项目的技术水平达到国内领先水平。
4.2 主要技术与性能指标
完成技术指标
（1）额定功率： 3kW
（2）额定频率： 50Hz
（3）额定电压： 230V
（4）额定电流： 14.5A
（5）电压整定范围（%）： 92.9-107.4
（6）稳态电压调整率（%）： +0.16
（7）稳态频率调整率（%）： 0.78
（8）电压波动率（%）： 0.04
（9）频率波动率（%）： 0.19
（10）瞬态频率调整率（%）： +2.0
（11）电压稳定时间（s）： 0.5
（12）频率稳定时间（s）： 1.0
4.3 经济指标
完成经济指标
（1）累计销售收入（万元）： 2671
（2）累计净利润（万元）： 213
（3）累计缴税总额（万元）： 182
（4）新增就业人数（人）： 51
5 变频发电机创新技术的研究开发
增强企业核心竞争力和本行业技术进步的贡献。解决了企业技术方面的瓶颈问题，加快了企业自主研发能力，进一步提高了企业核心竞争力。另一方面也为促进企业项目的研发过程和进度，能够更加有序地进行，能按照目标要求所提出的方案，逐步逐项地解决完成，真正起到了促进研发，发展生产的作用。变频发电机创新技术的研究开发更重要的是从项目的高端研发成功后，进一步延伸项目技术对中、低端同类产品市场的开拓和发展，企业正在向这方面的努力，进一步与相关院校进行合作，尽快将项目成果转化为系列的商品化产品。
6 未来发展构想
企业的发展离不开市场的占有，资产的积累。企业十余年发展历程，始终是沿着自主研发，产品专业化的道路进行的。企业从自有的发电机励磁调压器项目，进一步进行目前的变频发电机项目研发，都是为更好地拓展市场。为能实现企业从核心竞争向整体发展的转移，我们不但要立足眼前项目的实施和形成规模，而且要立足企业的自身积累，继续做好、做强现有的项目产业。并与相关的大专院校、企业、行业进行合作、联合，实现产品从中间阶段到上下游整体产品系列化、市场化的完成，真正让创新、进步、发展成为企业走向辉煌的基础。
参考文献：
[1]周新建，李志强，涂宏斌.基于NESSUS的兆瓦级永磁直驱风力发电机轮毂可靠性分析[J].制造业自动化，2016（2）：124.
[2]宋连会.水电厂发电机变压器保护原理及继电保护方式探讨[J].中国高新技术企业，2016（26）：377.
[3]徐洋，何成成.变频技术在电厂节能改造中的应用分析[J].科技创新与应用，2016（11）：178.
